植物營(yíng)養(yǎng)脅迫與光譜特性

1、植物營(yíng)養(yǎng)脅迫與光譜特性植物營(yíng)養(yǎng)脅迫與光譜特性王珂沈掌泉王人潮摘要主要介紹了植物營(yíng)養(yǎng)脅迫與光譜特性的關(guān)系，列舉了多個(gè)用植物光譜分析方法診斷植物營(yíng)養(yǎng)水平的實(shí)例，提出了提高診斷精度的幾種途徑。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞植物營(yíng)養(yǎng)光譜特性遙感技術(shù)分類號(hào)分類號(hào)TP79:Q948.1VEGETATIONNUTRIENTCONDITIONSPECTRALFEATUREWangKeShenZhangquanWangRenchao(InstituteofRemoteSe

2、nsingInfmationSystemApplicationofZhejiangAgriculturalUniversity310029)AbstractThepaperintroducesmainlyabouttherelationsbetweenthevegetationnutrientitsspectralfeaturegivessomeexamplesonhowusingthemethodofvegetationspectra

3、lanalysistodiagnosethevegetationnutrientlevels.Atlastitputsfwdseveralmethodsonimprovingthediagnosticprecision.KeywdsVegetationnutrientSpectrolfeatureRemotesensingtechnique0引言引言植物因缺乏營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量。植物缺營(yíng)養(yǎng)元素能引起葉片葉色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)以

4、及各種外觀不同的缺素癥狀。葉片吸收太陽(yáng)輻射能的多少與葉片內(nèi)外部結(jié)構(gòu)對(duì)入射的反射特性有關(guān)，而葉片吸收太陽(yáng)輻射能的多少在很大程度上決定了光合速率(Maasetal1989)。植物葉片的光譜特性與葉片厚度(Gausmanetal1973)、葉片表面特性(Nielsenetal1984)、水分含量(Gausmanetal1971Guyotetal1985)和葉綠素等色素含量有關(guān)(Gausman1982Ercolietal1993)。植物營(yíng)養(yǎng)元素

5、狀況與光譜特性也密切相關(guān)(Al_Abbasetal1974Walburgetal1982Miltonetal1991周啟發(fā)等，1993；王人潮，1993；王珂等，1997)。植物光譜特性的研究已成為地球資源光譜信息研究的重要組成部分。不同營(yíng)養(yǎng)狀況下植物光譜特性的差異引起了農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)和遙感等許多學(xué)科的研究者的重視。這不僅使田間非破壞性、快速、簡(jiǎn)易地診斷營(yíng)養(yǎng)狀況有了可能，而且由于傳感器等遙感技術(shù)的發(fā)展，使得大面積監(jiān)測(cè)植物的營(yíng)養(yǎng)狀況也取

6、得了很大進(jìn)展。但在實(shí)際應(yīng)用上仍存在一些困難，這與影響植物光譜特性的因素眾多，以及營(yíng)養(yǎng)脅迫引起光譜特性變異的機(jī)理不明確有關(guān)。不同植物的反射光譜波形是相同的，主要區(qū)別在反射率的大小上(Guyotetal1989)。葉片在可見(jiàn)光波段(400～700nm)的反射率較低，透射率也很低，這是因?yàn)榇蟛糠秩肷涔獗蝗~綠素、葉黃素、胡蘿卜素、花青素等色素吸收，其中65%的入射光被葉綠素a、b所吸收，吸收的波段主要集中于藍(lán)、紅光波段，速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，日本首先

7、研制了葉綠素計(jì)用于田間的作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平診斷及指導(dǎo)施肥(Chubachietal1986)，隨后葉綠素計(jì)被應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、果樹(shù)等許多作物氮素的診斷中，取得了較好的效果(Takebeetal1990Turneretal1991Dwyeretal1991Pengetal1993Blackmeretal，1995)。在實(shí)際應(yīng)用葉綠素計(jì)中也遇到不少困難，主要是作物的品種、生育期、生長(zhǎng)環(huán)境等的不同對(duì)葉綠素計(jì)的讀數(shù)造成的影響(Campbel

8、letal1990)，為了精確地估測(cè)氮素營(yíng)養(yǎng)水平，還需建立校正曲線，或者是改進(jìn)計(jì)算方法，來(lái)提高葉綠素計(jì)的診斷精度，但這種計(jì)算也需要實(shí)驗(yàn)室分析配合，因此，這種方法不再是一個(gè)快速、非破性的方法(Pengetal1993)。隨著測(cè)試儀器性能的不斷提高，光譜分辨率與測(cè)試光譜范圍都大大提高。高氮和低氮處理過(guò)的槭樹(shù)葉片在大于1500nm的中紅外波段的光譜反射率都顯著低于中氮處理過(guò)的槭樹(shù)葉片反射率(Yoderetal1995)。葉片的氮素含量可以通過(guò)

9、光譜分析方法來(lái)估測(cè)，但不同估測(cè)模型的精度不一，以反射率一階導(dǎo)數(shù)建模精度最高(Yoderetal1995)。Johnson(1996)發(fā)現(xiàn)在2160nm波段處葉片反射率的一階導(dǎo)數(shù)與葉片全氮量間的相關(guān)性在整個(gè)可見(jiàn)光至紅外波段范圍內(nèi)最好，用光譜分析方法估測(cè)鮮葉含氮量其精度大于85%。與氮相比，植物中磷鉀營(yíng)養(yǎng)與光譜特性的關(guān)系研究較少。據(jù)Al_Blasetal(1974)、Miltonetal(1991)、吉川年彥等(1991)、楊希等(1996

10、)研究，植物磷營(yíng)養(yǎng)素的多少對(duì)光譜特性有較大影響，但其影響不象氮營(yíng)養(yǎng)水平那樣一致。這是因?yàn)橹参镙p度缺磷時(shí)，葉綠素濃度有可能提高(楊希等，1996)，但在嚴(yán)重缺磷時(shí)，葉片光譜分析才能用于水稻磷營(yíng)養(yǎng)診斷；鉀營(yíng)養(yǎng)素對(duì)植物光譜特性的影響介于氮營(yíng)養(yǎng)與磷營(yíng)養(yǎng)之間。隨著鉀營(yíng)養(yǎng)水平的提高，葉片在可見(jiàn)光波段光譜反射率降低，而在近紅外波段光譜反射卻有所提高(奧塞瑪?shù)龋?996；王珂等，1997)。在現(xiàn)有儀器設(shè)備條件下，一般只能區(qū)分3～4級(jí)鉀營(yíng)養(yǎng)水平(奧塞瑪?shù)?/p>

11、，1996)。在近紅外波段區(qū)間(780～1300nm)鉀營(yíng)養(yǎng)水平越低，反射率越高，這與氮營(yíng)養(yǎng)的影響正好相反，這可能是缺鉀時(shí)葉片表皮細(xì)胞發(fā)生變化，葉面厚度增加，葉片柵欄、海綿組織的細(xì)胞收縮和局部破裂的結(jié)果。在1450nm波段處，隨著鉀營(yíng)養(yǎng)水平的降低，吸收谷明顯變淺，這可能是因?yàn)樗救扁浐笕~片含水量降低所致。在中紅外波段(1650～1800nm)，鉀營(yíng)養(yǎng)水平越低，光譜反射率越高，其內(nèi)在生理機(jī)理方面仍有待研究(王珂等，1997)，至今還未見(jiàn)到

12、有利用光譜分析的方法成功估測(cè)磷、鉀含量的報(bào)導(dǎo)。植物Fe、S、Mg和Mn的缺乏降低了葉綠素含量，降低了葉片對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收，增加了葉片入射光的反射率與透射率(Masonietal1996)。不同營(yíng)養(yǎng)元素缺乏后盡管反射率的高低不一，但可見(jiàn)光至近紅外波段的反射特征曲線的波形是相似的(Masonietal1996)。營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏都會(huì)導(dǎo)致短波段的“紅邊位移”現(xiàn)象，但不同作物缺素時(shí)的“紅邊位移”程度不一。玉米缺Fe、Mg、Mn，大麥，小麥缺Fe